一種開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機控制領(lǐng)域，具體涉及一種開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動控制系統(tǒng)以及應(yīng) 用該系統(tǒng)進(jìn)行波形控制和轉(zhuǎn)子位置估算的方法。 技術(shù)背景
[0002] 開關(guān)磁阻電機是一種新型調(diào)速電機，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu) 點，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機 由于結(jié)構(gòu)簡單堅固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高效率，系 統(tǒng)可靠性高，更加適用電動工具、家用電器、健身器材等場合。開關(guān)磁阻電機的雙凸極結(jié)構(gòu) 和開關(guān)性供電特點，其固有的特質(zhì)導(dǎo)致較大的電磁脈動，通過優(yōu)化設(shè)計電機結(jié)構(gòu)和控制策 略，電機轉(zhuǎn)矩脈動完全可以得到有效的抑制。
[0003] 通過分析，電磁噪聲是開關(guān)磁阻電機主要噪聲，有效的抑制電磁噪聲就能達(dá)到電 機降噪的目的。電磁噪聲源于開關(guān)磁阻電機定子和轉(zhuǎn)子之間徑向脈動磁吸力。定子和轉(zhuǎn)子 之間的徑向磁吸力，導(dǎo)致定子壓縮、擴(kuò)張變形是激發(fā)振動噪聲的誘因，若徑向磁力的諧波頻 率與電機固有頻率一致，共振將會帶來更惡劣的振動和噪聲。電機各相繞組外施相電壓的 躍變導(dǎo)致相電流、徑向磁力的躍變是引起電機振動的主要原因。
[0004] 開關(guān)磁阻電機的定子勵磁極和轉(zhuǎn)子凸極之間通過氣隙產(chǎn)生磁場力，磁場力驅(qū)使磁 路的磁阻最小。將磁場力分解為徑向、切向兩個方向的分量，其中切向磁力產(chǎn)生開關(guān)磁阻電 機運轉(zhuǎn)所需的動力轉(zhuǎn)矩，由于轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生的電機振動并不明顯，徑向磁力并不產(chǎn)生有效 轉(zhuǎn)矩，并且成為一個脈動的力波，在徑向磁力的作用下，電機定子機殼將形成壓縮、擴(kuò)張變 形，強烈的振動通過機殼發(fā)射噪聲形成了開關(guān)磁阻電機噪聲的主要來源，電磁噪聲的強度 與磁場力的大小、轉(zhuǎn)子剛度、定子機殼有關(guān)。尤其當(dāng)徑向磁力的諧波頻率與定義固有頻率相 重合，共振引起的振動噪聲將更為惡劣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要針對現(xiàn)有技術(shù)存在的噪聲缺點，發(fā)明了一種開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動控 制系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明通過控制開關(guān)磁阻電機相鄰極之間的徑向力，利用轉(zhuǎn)矩復(fù)合 原理有效抑制開關(guān)磁阻電機的周期性擾動特點，改善開關(guān)磁阻電機在運行中因轉(zhuǎn)矩脈動而 造成電機系統(tǒng)振動的問題。本發(fā)明通過內(nèi)?？刂圃磉M(jìn)行極間轉(zhuǎn)矩復(fù)合，通過調(diào)頻式轉(zhuǎn)子 位置估計方法估計轉(zhuǎn)子位置，便于轉(zhuǎn)矩控制。
[0006] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案得以實施的：一種開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩 脈動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括延遲控制器、滯環(huán)控制器、PWM輸出控制裝置、開關(guān)磁阻電 機（SRM)、電流檢測裝置、多路復(fù)用器、轉(zhuǎn)子位置估算裝置，其中，延遲控制器連接滯環(huán)控制 器，滯環(huán)控制器連接PWM輸出控制裝置，PWM輸出控制裝置連接開關(guān)磁阻電機，開關(guān)磁阻電 機分別連接電流檢測裝置和多路復(fù)用器，多路復(fù)用器連接轉(zhuǎn)子位置估算裝置，轉(zhuǎn)子位置估 算裝置連接所述的延遲控制器，所述的電流檢測裝置分別連接滯環(huán)控制器和PWM輸出控制 裝置；所述的延遲控制器包括內(nèi)模控制器，內(nèi)?？刂破饔芍芷谘舆t控制結(jié)構(gòu)（S^f)、正反饋 環(huán)節(jié)控制結(jié)構(gòu)（Q(S))、補償控制單元結(jié)構(gòu)（KdP(S))組成；所述的轉(zhuǎn)子位置估算裝置包括相 互串聯(lián)的LC振蕩電路、頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路、光電耦合隔離器、數(shù)字信號處理裝置（DSP)。
[0007] 作為優(yōu)選，所述延遲控制器為復(fù)合閉環(huán)式延遲控制器，由開環(huán)式的延遲控制器嵌 入閉環(huán)控制器構(gòu)成；其中，周期延遲的控制參數(shù)為S'正反饋環(huán)節(jié)的控制參數(shù)為Q(S)體現(xiàn)， 補償控制單元的控制參數(shù)為KdP(s)。
[0008] 作為優(yōu)選，所述LC振蕩電路包括多路復(fù)用器、調(diào)制電路。
[0009] 利用上述開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動控制系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估算的方法，其特征在 于，利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中極間電感的周期性變化進(jìn)行檢測轉(zhuǎn)子位置，具體步驟為：
[0010] 1)高頻的電感變化信號經(jīng)由LC振蕩電路產(chǎn)生帶相電感信息的波形，該帶相電感 信息的波形為轉(zhuǎn)子位置信號；
[0011] 2)設(shè)置LC振蕩電路中的元器件參數(shù)，使該振蕩頻率與相電感的平方根的倒數(shù)成 正比；
[0012] 3)將有相電感變化信息的調(diào)制信號&通過頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電壓變化 信號；
[0013] 4)電壓信號經(jīng)過光電隔離后通過數(shù)字信號處理裝置（DSP)估算轉(zhuǎn)子的位置。
[0014] 利用上述開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動控制系統(tǒng)進(jìn)行PWM波形控制的方法，其特征在 于，利用內(nèi)?？刂破鳟a(chǎn)生延遲控制信號，在不同的轉(zhuǎn)子位置角度，通過內(nèi)?？刂破骱蚉WM輸 出裝置計算輸出不同的目標(biāo)電流，以達(dá)到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的目的；其中，延遲控制器的增益Kd 取1，補償單元P(S)取系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的倒數(shù)，N為每個轉(zhuǎn)矩脈動周期內(nèi)的采樣次數(shù)， Q(S)取截止頻率為2倍轉(zhuǎn)矩脈動頻率的低通濾波器；各相繞組的控制輸出電流提供給滯環(huán) 單元，將電流給定值與實際檢測到的電機電流i進(jìn)行延遲滯環(huán)控制，實現(xiàn)對電流的準(zhǔn)確 控制。
[0015] 作為優(yōu)選，將滯環(huán)控制與PWM輸出結(jié)合，通過設(shè)置環(huán)寬h，將給定值電流與實際 電流i的關(guān)系劃分為四種情況，四種情況具體控制方法如下：
[0020] 其中，Vl>V2,V3 <V4 ;D1 <D2 < 50%<D3 <D4。
[0021] 綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
[0022] 本發(fā)明本發(fā)明通過控制開關(guān)磁阻電機相鄰極之間的徑向力，利用轉(zhuǎn)矩復(fù)合原理有 效抑制開關(guān)磁阻電機的周期性擾動特點，改善開關(guān)磁阻電機在運行中因轉(zhuǎn)矩脈動而造成電 機系統(tǒng)振動的問題。本發(fā)明通過內(nèi)?？刂圃磉M(jìn)行極間轉(zhuǎn)矩復(fù)合，通過調(diào)頻式轉(zhuǎn)子位置估 計方法估計轉(zhuǎn)子位置，便于轉(zhuǎn)矩控制；本發(fā)明通過軟開關(guān)緩沖型功率電路減少單相磁阻電 機相關(guān)開關(guān)電磁沖擊，以及通過轉(zhuǎn)矩合成原理和內(nèi)模控制原理使轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩在極間平 滑移動，有效減少了轉(zhuǎn)矩脈動，同時減少振動，降低噪聲。
【附圖說明】
[0023] 圖1是開關(guān)磁阻電機動作原理圖；
[0024] 圖2是轉(zhuǎn)矩變化圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0026]圖4是本發(fā)明延遲控制器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明轉(zhuǎn)子位置估算裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0028] 實施例1:
[0029]對于開關(guān)磁阻電機，定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合時電感最小，磁阻最大；轉(zhuǎn) 子凸極的前沿和定子凸極的后沿對齊，兩者的對齊開始隨著轉(zhuǎn)子角度的增大重疊增大，相 電感開始增加，直到轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極全部重合，此時電感最大，磁阻最小。
[0030]忽略相繞組電阻壓降的情況下，相電壓方程為土U=diD/dt，式中，土U為動率器 件開通時繞組的端電壓；-U為功率器件斷開時繞組的端電壓，W為繞組磁鏈。
[0031]在假設(shè)磁路在變化過程中為線性情況下可用下式表示：it( 0 )=L( 0 )i( 0 );代
[0032]說明輸入總功率P=Ui，一部分以增加繞組儲能，一部分轉(zhuǎn)為機械功率輸出。在電 感上升時，旋轉(zhuǎn)電動勢為正，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，電源的功率一部分以機械能形式輸出，一部分 以磁場能形式存貯于繞組中；若斷電，則磁場能一部分轉(zhuǎn)化為機械能，一部分回饋電源；電 感達(dá)到最大值時，旋轉(zhuǎn)電動勢為零，如果繞組有電流只能反饋電源，而不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。電感 下降過程中，如果繞組還有電流通過，則旋轉(zhuǎn)電動勢是負(fù)的，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，磁場能以及制 動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機械能全部反饋電源，工作在發(fā)電狀態(tài)。
[0033]應(yīng)用中為了得到盡量大的轉(zhuǎn)矩，一方面在繞組電感上升區(qū)域流過較大電流，所以 開通角設(shè)計在電感上升前，另一方面盡量減少制動轉(zhuǎn)矩，在繞組電感減少盡快讓電流衰減 到零，所以關(guān)閉角通常設(shè)計在電感值還沒有增加到最大前。
關(guān)磁阻電機中磁路飽和及邊緣效應(yīng)，符合開關(guān)磁阻電機的線性模型，假定電感同電流無關(guān)，
自感，電感變化的周期正比于轉(zhuǎn)子中的極對數(shù)，比如單相4/4級開關(guān)磁阻電機，定子每繞一 周，電感變化4次。如果用傅里葉變換分解成不同頻率，忽略高次諧波，得到相繞組的自感 為L=Lc^L1C0s (N，0 )，其中常數(shù)LjPLi為電感的恒定分量和諧波分量的電感幅值，代入上
矩與角度之間的變化公式。從公式中可說明繞組產(chǎn)生的基波電磁轉(zhuǎn)矩是一種空間正弦波， 電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定零位取決于該磁極中心線的位置?？紤]相繞組電磁轉(zhuǎn)矩為矢量變量，T矢 量空間角度和相繞組磁極中心線一致，在定子兩極之間循環(huán)變動，造成電磁轉(zhuǎn)矩的高頻率 振動。
[0035] 對于單相4/4結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機而言，同相繞組產(chǎn)生的穩(wěn)定零位在不同的極間 依次相差一個轉(zhuǎn)子步進(jìn)角90°，如圖1所示。如果忽略電動機互感，將定位轉(zhuǎn)矩進(jìn)行矢量疊 加，且保持其幅值恒定，則得到如圖2所示的轉(zhuǎn)矩變化圖，以A、B極舉例，TAB、TA，B，為合成的 定位轉(zhuǎn)矩，其大小與方向可以通過A極和B極之間的電流變化加以控制，A極的電流由PWMl 輸出控制，B極的電流由PWM2輸出控制。在P麗1和PWM2波形可控的條件下，如果能合理 調(diào)節(jié)相鄰兩極之間的電流，在兩極之間合成新的定位轉(zhuǎn)矩，并隨著定子的轉(zhuǎn)動連續(xù)調(diào)節(jié)，使 得合成電磁轉(zhuǎn)矩在360°轉(zhuǎn)動過程中較均勻分布，電機運行過程轉(zhuǎn)矩過渡平穩(wěn)，可有效抑制 轉(zhuǎn)矩脈動。
[0036] 實現(xiàn)上述目標(biāo)需要解決2個主要問題：1、PWM波形的連續(xù)控制方法；2、轉(zhuǎn)子的位置 估計方法。
[0037] 1、對PWMl和PWM2波形連續(xù)控制的方法。
[0038] 利用內(nèi)模原理產(chǎn)生延遲控制信號，用于模擬前一個信號的變化和前后兩個信號之 間的差值。內(nèi)?？刂圃硪笤诜€(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個可以產(chǎn)生與參考輸入同周期的 內(nèi)部模型，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)對外部周期性參考信號的漸近跟蹤，即加到被控對象的輸入信 號除直接信號外，還疊加上一周期該時刻的控制偏差。把上一周期的偏差和當(dāng)前的偏差一 起疊